Введение к работе
з
Актуальность работы. В настоящее время проблема получения алюминиевых сплавов (и отливок из них) с мелкозернистой структурой, заданными механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами продолжает оставаться актуальной. Накопление отходов производства заставляет искать пути экономии и более рационального использования чушковых материалов. Поэтому совершенствуются существующие способы обработки расплавов - рафинирование, модифицирование различными добавками, применение физических воздействий и др.
Определенную перспективу представляют физические (или внешние) модифицирующие воздействия на расплавы при плавке, заливке, кристаллизации (наиболее эффективные из них: тепловые - ТВО, ТСО и др.; электромагнитные - электрические и магнитные поля; несинусоидальные электромагнитные импульсы и др.; механические - ультразвук, вибрация, перемешивание и др.). Их оптимальная реализация позволяет использовать повышенное количество лома и отходов при плавке, нивелировать действие нежелательных примесей и получать алюминиевые сплавы с мелкозернистой структурой, заданным химическим составом, минимальным содержанием газовых и неметаллических включений, требуемым уровнем свойств. Физические воздействия имеют ряд преимуществ по сравнению с другими способами обработки расплавов - более благоприятная экологическая обстановка; не используются дорогостоящие модификаторы; не изменяется химический состав расплава во время плавки, что, в отличие от технологий с использованием элементов-модификаторов, не приводит к накоплению в сплавах при дальнейших переплавах излишнего количества примесей.
Однако практическое применение таких ресурсосберегающих технологий для фасонного литья из алюминиевых сплавов сдерживается из-за недостаточной изученности процессов и технологических сложностей. Кроме того, способы физических воздействий не могут быть реализованы произвольно и требуют обоснования их применения и оптимизации параметров обработки в каждой конкретной технологии получения алюминиевых сплавов и отливок.
Работа выполнена в рамках Гранта Губернатора Кемеровской области «Разработка комплексных технологий получения литейных алюминиевых сплавов из вторичного сырья для металлургических и машиностроительных предприятий Кузбасса» (2007 г.); реализации Минобрнаукой России проекта развития кооперации российских вузов и производственных предприятий по созданию высокотехнологичного производства (договор № 13. G25.31.0082, 2010...2012 гг.); проекта № 14. В37.21.0437 (2009...2013 гг.) Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Мероприятие 1.1 - Высокотехнологичный сектор экономики) по теме: «Разработка эффективных технологических процессов изготовления отливок из авиационных алюминиевых сплавов путем внешних воздействий на их расплавы».
Цель и задачи работы. Целью работы являлось создание, научное обоснование и реализация эффективных ресурсосберегающих технологий получения отливок из алюминиевых сплавов с использованием физических модифицирующих воздействий на расплавы - термовременной и термоскоростной обработок, магнитного поля при заливке, электрического поля при кристаллизации, их комплексного влияния для повышения качества, механических и технологических свойств сплавов следующих систем:
- А1 - Si - Mg (сплавы АК7ч, АК9ч, АК12);
Al - Si - Си (сплавы AK5M2, AK6M2, AK5M7);
Al - Си (сплав АМ5);
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Уточнить механизм влияния физических модифицирующих воздействий - тепловых и электромагнитных - на кристаллизацию алюминиевых расплавов и разработать математическую модель для расчета параметров кристаллизации.
-
Установить закономерности влияния режимов термовременной обработки (ТВО) и состава шихты на свойства литейных алюминиевых сплавов. Разработать математическую модель, позволяющую рассчитать время распада микронеоднородностей в расплавах силуминов при ТВО.
-
Исследовать влияние шихтовых заготовок (из лома и отходов), полученных с применением ТВО, на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов.
-
Исследовать механические и технологические свойства алюминиевых сплавов, полученных из шихты с преобладанием лома и отходов, после комплексной обработки физическими воздействиями - ТВО и рафинирования; ТВО и электромагнитных воздействий. Изучить влияние комплексной обработки расплава ТВО и электрическим током на кристаллизацию и свойства алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа.
-
Разработать ресурсосберегающие технологические способы получения литейных алюминиевых сплавов с применением физических воздействий -термовременной и термоскоростной обработки (ТСО), магнитного поля, электрического тока.
-
Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок заданного качества из алюминиевых сплавов с использованием повышенного количества лома и отходов в шихте.
Научная новизна.
-
Уточнен механизм влияния физических воздействий при плавке и литье на кристаллизацию алюминиевых сплавов, позволяющий объяснить увеличение энтропии и устойчивость жидкого состояния системы, молекулярный характер разделительной диффузии и изменение характера кристаллизации.
-
Разработана теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы.
-
Разработана математическая и компьютерная модели для расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов, обработанных тепловыми и электромагнитными воздействиями, позволяющая прогнозировать критический размер зародышей кристаллизации, их количество и оценить эффективность модифицирующей обработки расплава.
-
Разработана математическая и компьютерная модели для расчета времени распада микронеоднородностей в расплавах силуминов при термовременной обработке.
-
Установлен эффект сохранения влияния термовременной обработки на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов после переплавов.
-
Установлены аналитические зависимости, рассчитаны и экспериментально подтверждены оптимальные параметры термоскоростной обработки -температура перегрева, время выдержки, количество и температура ввода добавок кокильного возврата в расплав.
7. Установлена взаимосвязь между способами физических воздействий на расплав, временем и величиной температурного интервала его кристаллизации, обеспечивающая повышение уровня механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов при использовании шихты, содержащей до 80... 100 % лома и отходов.
Новизна технологических, конструкторских и программных решений защищена патентами и свидетельствами РФ.
Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации эффективных технологий получения литейных алюминиевых сплавов с возможностью использования лома и отходов в шихте до 80... 100 % и применением физических воздействий (тепловых и электромагнитных) на расплавы для повышения механических и технологических свойств до уровня свойств сплавов, полученных с использованием шихты из чушковых материалов.
Основные результаты представляют следующее:
-
Показано, что ТВО расплава является перспективной ресурсосберегающей технологией, позволяющей широко использовать вторичные материалы - лом, отходы, возврат разной природы. При этом не требуется использование модифицирующих добавок. Применяя данную технологию в комплексе с другими способами обработки расплава (рафинированием хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; электромагнитными воздействиями), возможно нейтрализовать или уменьшить влияние низкосортной шихты и получить из алюминиевых сплавов отливки с мелкозернистой структурой и требуемыми свойствами. Целесообразно применение ТВО в переплавных процессах при изготовлении шихтовых заготовок заданного химического состава.
-
Разработано устройство (патент РФ № 69073) и способ подготовки шихты (изготовления шихтовой заготовки из лома и отходов) для литейных алюминиевых сплавов, включающий ТВО и кристаллизацию расплава в специальной металлической форме (патент РФ № 2345155). Использование шихтовой заготовки при получении алюминиевых сплавов способствует повышению уровня их механических и технологических свойств.
-
Разработан способ получения литейных алюминиевых сплавов с использованием низкосортной шихты, включающий ТСО (патент РФ № 2322522). Данная технология может быть применена при производстве отливок в литейных цехах, имеющих кокильное литье.
-
Создано устройство для обработки расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму (патенты РФ №№ 69072, 104104), при этом не ограничивается материал формы и конфигурация отливок. Использование устройства в комплексе с предварительной ТВО расплава позволяет повысить уровень механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов, полученных из шихты с преобладанием лома и отходов, за счет рафинирующего и модифицирующего эффектов.
-
Создано устройство для обработки расплавов электрическим током в процессе кристаллизации (патент РФ № 69074). Использование устройства позволяет уменьшить негативное влияние железа и получить структуру алюминиевых сплавов (на основе низкосортной шихты) с компактными включениями железосодержащих фаз. Предварительная ТВО расплава усиливает модифицирующее действие электрического тока и повышает механические свойства литейных алюминиевых сплавов.
Реализация результатов работы. С целью достижения требуемого уровня механических и технологических свойств при минимальном использовании чушковых материалов в шихте разработаны и в промышленных условиях
6 реализованы ресурсосберегающие технологии получения алюминиевых сплавов и отливок: комплексная обработка расплавов - ТВО и рафинирование хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; ТВО и магнитное поле при заливке; ТВО и электрический ток при кристаллизации; использование шихтовой заготовки с эффектом ТВО; применение ТСО.
Перспективность технологических разработок подтверждается результатами их промышленной апробации и внедрения на предприятиях: ОАО «КМЗ», ООО «Технокомплекс-НК», 000 «Сталь КМЗ» (г. Новокузнецк), 000 «Сталь», 000 «Прокопьевский завод Электроаппарат» (г. Прокопьевск), ЗАО «РОУ», ОАО «Алтайский моторный завод» (г. Барнаул), ФГУП «ОМО им. П.И. Баранова» (г. Омск). За период 2002-2011 гг. суммарный годовой экономический эффект от внедрения составил более 12,4 млн. руб.
Предмет защиты. На защиту выносятся:
1. Механизм влияния физических модифицирующих воздействий на
кристаллизацию алюминиевых расплавов.
-
Результаты математического моделирования параметров кристаллизации (критический радиус зародыша, количество зародышей в единице объема расплава) алюминиевых сплавов после обработки физическими воздействиями - ТВО, электрическим током, магнитным полем.
-
Результаты математического моделирования времени распада микро-неоднородностей при ТВО расплавов Al - Si.
-
Результаты исследования влияния режимов ТВО и состава шихты, использования шихтовых заготовок из лома и отходов, полученных с применением ТВО, на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов.
-
Способ подготовки шихты (изготовление шихтовой заготовки из лома и отходов) для литейных алюминиевых сплавов, включающий ТВО и кристаллизацию расплава в металлической форме.
-
Способ получения литейных алюминиевых сплавов с использованием лома и отходов, включающий ТСО.
-
Результаты влияния технологии комплексной обработки расплавов физическими воздействиями - ТВО и рафинирования, ТВО и магнитным полем, ТВО и электрическим током - на особенности процесса кристаллизации, механические и технологические свойств алюминиевых сплавов, приготовленных из шихты с повышенным количеством лома и отходов.
-
Теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы.
-
Результаты реализации разработанных ресурсосберегающих технологий в производственных условиях при получении отливок из алюминиевых сплавов с применением тепловых и электромагнитных воздействий.
Методы исследований. Работа выполнена с привлечением современных методов исследования: микроструктуры, механических, технологических свойств сплавов; математического моделирования процесса кристаллизации и времени распада микронеоднородностей в расплавах алюминиевых сплавов при ТВО; основ теории кристаллизации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций основывается на широком использовании современных методов и методик исследования металлических сплавов, применении аппарата математической статистики для обработки результатов экспериментов и их сравнительном анализе с известными литературными данными, высокой эффектив-
ностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных испытаний и их внедрением в производство.
Личный вклад автора. В диссертационной работе представлены результаты, полученные автором как самостоятельно, так и совместно с научными консультантами, проф. И.Ф. Селяниным и проф. Ри Хосеном, а также совместно с аспирантами (А.П. Войтковым, С.А. Цецориной) в качестве научного руководителя. Автору принадлежит научная постановка задач исследования, разработка теоретических и технологических основ рассматриваемых в работе положений, организация и проведение опытных плавок и испытаний по изучению комплекса технологических и механических свойств алюминиевых сплавов, математическое моделирование поставленных задач, обработка, анализ, обобщение, научное обоснование полученных результатов; формулирование выводов и рекомендаций; написание статей, материалов докладов, патентов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: на Всероссийской научно-практической конференции «Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии» (г. Новокузнецк, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы: получение и технология обработки» (г. Красноярск, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (г. Томск, 2003 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, реинжиниринг, управление, автоматизация» (г. Новокузнецк, 2003, 2004 г.); II и IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2002, 2007 гг.); IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Жлобин, Республика Беларусь, 2007 г.); IX Российско-китайском Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (г. Астрахань, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина» (г. Новокузнецк, 2008 г.); VII Международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (г. Самара, 2008 г.); Международной конференции «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии» (г. Москва, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2002...2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» (г. Новокузнецк, 2005...2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» (г. Новокузнецк, 2012 г.); 9-й Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); IX Международном конгрессе «Машины, технологии, материалы» (г. Варна, Болгария, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 научных работ (в том числе 37 статей из перечня рецензируемых научных изданий ВАК), 2 монографии, 1 учебное пособие, 8 патентов, 3 свидетельства о государственной регистрации компьютерных программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, заключения, списка литературы и 2 приложений. Изложена на 325 страницах (включая приложения), содержит 30 таблиц, 72 рисунка. Список литературы составляет 333 наименования.
